具有工件公转与自转功能的高精度回火炉盖的研发

常富明，刘俊杰，李贤君，张文良，胡博，安伟骋

1.内蒙古北方重工业集团有限公司 内蒙古包头 014033 2.北京机电研究所有限公司 北京 100083

随着管坯寿命要求的提高，需要韧性好、高温强度和耐磨损、耐烧蚀性高的高强度钢，而高强度钢整体性能的均匀性被提到了一个新的高度。高强度钢整体性能的均匀性需通过有效的热处理手段来保证，尤为重要的就是高强度钢的二次回火处理，传统的常规静止吊挂炉盖已无法满足高精度回火处理的要求。本文介绍的公转＋自转功能高精度回火炉盖即为实现高强度钢均匀回火而研制，新型回火炉盖通过连续生产检验，经回火处理后的各项性能均匀性远优于常规静止吊挂炉盖处理水平，达到了高强度钢的性能均匀性要求，设备运行良好。

1 研发背景

目前，行业上应用的厚壁管回火设备几乎都是传统的两半对开式炉盖静止吊挂的井式炉，在炉子的圆周方向一次吊挂多件厚壁管进行回火，在这个加热过程中，工件始终处于静止状态[1]。因为井式炉结构的特点，只能在其圆周四壁上布置加热元件，工件在加热时不可避免地会造成靠近加热元件的部分受热温度高、远离加热元件的部分受热温度低，即“阴阳面”问题。工件在此种情况下加热不仅造成圆周方向的屈服强度、抗拉强度、伸长率和硬度等关键性能指标超差，甚至产生废品，而且也会造成工件的变形。配备传统炉盖的井式炉已不能满足新一代高强度钢的高精度要求[2]。因此，我们迫切需要解决高强度钢加热“阴阳面”的问题，从而研发出公转＋自转炉盖，以满足新的需求。

2 公转＋自转炉盖简介及主要技术参数

根据实际需处理工件的直径、长度和装炉数量不一的要求，研制直径3.4m公转＋自转炉盖。将公转＋自转炉盖设计成6工位带底座、可旋转的行星齿轮结构，具有使高强度钢回火时绕炉体中心轴公转＋自转的功能，可满足2、3、4、6工位装炉需求。

2.1 公转+自转炉盖简介

双旋转炉盖为6工位整体密封炉盖结构，引入行星齿轮结构，仅需一台变频减速电动机通过销齿链驱动炉盖旋转，从而带动炉内工件绕炉体中心轴公转的同时进行自转。

2.2 主要技术参数

有效尺寸：φ1.9m；外形尺寸：φ3.4m×1.5 m；最大工件尺寸：φ0.38m×10m；最大一次装炉量：22t（含吊具）；单支最大装载重量：5t（含吊具）；最大装炉数量：6支；最高使用温度：650℃；装炉形式：吊挂式；炉盖公转和工件自传速度：≥10圈/h。

3 公转＋自转炉盖结构及主要特点

公转＋自转炉盖由吊装炉盖、炉盖旋转座、驱动装置、支撑及定心装置、中心轴固定梁及定位柱、水冷油封装置和电气控制系统组成，如图1所示。

3.1 吊装炉盖

吊装炉盖由支撑壳体、硅酸铝纤维毡、行星齿轮传动装置、散热装置、工件吊装钩头、传动部件防护罩及炉盖定位导向装置组成。

（1）支撑壳体 支撑壳体主要由型钢和钢板组合焊接而成，底部炉内部分为不锈钢材质，在吊装轴轴肩和与炉盖旋转座结合处设计为Z形迷宫密封结构，防止热量直接逸出炉盖，以减少热损失。

（2）行星齿轮传动装置 主体是由1套中心齿轮（太阳轮）与6套行星齿轮紧密啮合而成。中心齿轮和中心轴相对于炉体静止不动，行星齿轮和行星轴在绕中心轴公转的同时自转，从而使得吊挂在行星轴上的工件能够在绕炉盖中心公转的同时自转。图2为公转＋自转炉盖的俯视图。

（3）炉盖定位导向装置 炉盖定位导向装置分为导向柱和导向套两部分构成，圆周均布2 个，通过导向柱和导向套的配合定位吊装炉盖对中位置，导向套安装在炉盖上。

图1 高强度钢回火公转＋自转炉盖

图2 公转+自转炉盖俯视图

3.2 炉盖旋转座

炉盖旋转座由壳体、硅酸铝纤维毯、定位导向装置组成：壳体由碳素钢外圈、上支撑板、下支撑板、壳体之内支撑筋板和不锈钢内圈、Z形迷宫密封圈板组合焊接而成。在靠近炉膛部分使用不锈钢材料制作。下支撑板下部设置密封圈板，与油封装置结合保证炉盖与炉体间的密封；定位导向装置即吊装炉盖定位导向装置，导向柱安装在旋转座上，配合炉盖上的导向套定位炉盖。

3.3 驱动装置

驱动装置由减速机、销齿链轮、销齿链条和减速机安装座组成：减速机选用低转速高扭矩K型变频减速机，输出轴转速1.0～1.6r/min，保证炉盖公转和工件自传速度≥10圈/h；销齿链条安装在炉盖旋转座的外圈板上，形成整圈传动链，减速机通过销齿链轮啮合销齿链条驱动炉盖旋转；减速机安装座为碳素钢板组合焊接而成，安装座设置螺杆螺母位置调整装置，以便调整减速机安装位置。

3.4 支撑及定心装置

支撑及定心装置由支撑环板、支撑轮组和定心轮组组成：支撑轮组圆周均布12套，固定在旋转支撑固定平台上，支撑炉盖旋转座；定心轮组圆周均布5套，固定在支撑固定平台上，调节形式为螺杆螺母结构，从侧面顶紧炉盖旋转座外圈板，起旋转定心作用。

3.5 中心轴固定梁及定位柱

共一套固定梁和两套定位柱，起固定中心轴的作用。中心轴固定梁由一根型钢梁和一个中心轴套、两个梁端定位方轴组成，保证具有足够的强度、刚度，承受扭转变形的外力，本身不变形；定位柱由型钢焊接而成，支撑定位固定梁。

3.6 水冷油封装置

水冷油封装置是炉盖旋转座与炉体密封的装置，安装在炉体面板上，由两圈板及炉体面板组成密封槽，盛装密封油，密封油闪点260℃。

冷却水通过布置在油封槽内的环管冷却密封油的油温。冷却水量2m3/h，进水压力0.2～0.3MPa，进水温度≤28℃。

3.7 电气控制系统

电气控制系统主要完成对驱动装置的起停、调速控制，并设有炉盖定位检测装置和报警装置。

根据高强度钢回火的工艺要求，调节变频器的频率以调整公转和自转的速度，炉盖定位检测装置确保炉盖每次停止位置一致，方便工件的装卸。

报警装置对减速机的运转情况和密封油油温、油位、冷却水供应起监督提醒作用。

4 管坯回火旋转炉盖测试效果及产品性能检测

4.1 管坯回火旋转炉盖性能指标测试结果

经实际测试，总承重22t，单承重5t，炉盖公转和工件自转速度均≥10圈/h，满足用户要求和设计指标。

4.2 产品性能检测指标

公转＋自转炉盖投产以来运行稳定。处理最大单件5t，产品性能稳定，处理完成的高强度钢的指标优于常规静止吊挂炉盖所处理的工件最好指标。工件硬度性能检测（常规静止吊挂炉盖和公转自转炉盖对比）见表1。

表1 工件硬度性能检测结果

5 结束语

1）该公转+自转炉盖采用了行星齿轮结构技术，使工件在回火过程中绕炉体中心轴公转的同时自转，大大提高了工件圆周方向上的性能均匀性。

2）经生产实践检验，设备满足和超过设计指标，公转+自转炉盖处理的高强度钢热处理质量完全超过了常规静止吊挂炉盖所处理高强度钢的热处理水平。

3）公转＋自转炉盖的成功研制为更高规格的高强度钢提供了有效的精确热处理手段，国内首创，并获得了国家专利[3]。